Optimization of LoRa surface buoy for underwater acoustic receiver

Abstract

Målet med denne avhandlingen var å fortsette arbeidet med å lage ett automatisk lyttesystem for observering av migrerings mønstre og den naturlige vandringen til fisk i forskjellige undervanns miljøer. Ved å feste miniatyriserte akustiske sendere på fisk, som så kan oppdages av sett med spesialiserte akustiske undervanns mottakere, får man uvurderlig innsikt inn i en økologi som ellers er vanskelig å observere. Slike systemer er ofte strategisk plassert i fjord og kystområder av interesse, og kan brukes til å analysere fiskens bevegelsesmønstre og hvordan den samspiller med det komplekse undersjøiske økosystemet. Det gir også nyttig data for å studere stressresponser og velferden til fisk i havbruk. Lyttesystemet bør være i stand til å dele observasjonsdataene i sanntid til en sentral lagringsløsning, for å muliggjøre bruk av dataene umiddelbart. Dette vil gi sluttbrukeren en situasjonsforståelse og ett beslutningsgrunnlag som ellers er vanskelig å oppdrive. Siden slike systemer ofte vil utplasseres i områder som er vanskelig og dyrt å reise til, må systemet være robust og ha en lang levetid. Systemet må også være enkelt å utplassere og ha en lav kostpris både i innkjøp og i operative kostnader.

Dette prosjektet tar for seg utviklingen av fastvaren for observasjonsbøyer utstyrt med akustiske undervanns mottakere, samt en trådløs tilkobling til ett sentralt lagringsmedium basert på LoRaWAN protokollen. For å muliggjøre presis deteksjonsdata til bruk i multilaterering trenger systemet å opprettholde presis tidstakning. Dette er oppnådd ved å ta i bruk GNSS for å få tak i den nødvendige tidsinformasjonen. Prosjektet tar også for seg den videre utviklingen av å lage ett energieffektivt kommunikasjonsnettverk, samt programvare for å håndtere lagring og prosessering av den innsamlede dataen, og til slutt programvare til å visualisere observasjonene i ett web-basert grensesnitt.

Hovedfokuset til avhandlingen har vært å redusere energiforbruket til det eksisterende utstyret, og muliggjøre for kontinuerlige operasjoner i mange måneder til over ett år, fra et utgangspunkt på bare ett par måneder. Dette er oppnådd ved å forbedre effektiviteten til fastvaren og utnytte potensialet som ligger i det eksisterende utstyret, med noen små endringer. Observasjonsbøyene er også gjort selv-optimaliserende, med tanke på tidskorreksjoner og den trådløse kommunikasjonslinken. Dette forenkler utplasseringen av utstyret, samt at en finner en optimal avveining mellom kommunikasjonsrekkevidde og batterilevetid. I tillegg er det lagt til funksjonalitet som verifiserer tidspresisjonen av den innsamlede dataene, noe som er viktig for å muliggjøre presise og robuste lokaliserings muligheter.

The goal of this thesis was to continue on the project of creating an automatic listening system (ALS) for observing migratory patterns and movement ecology of fish in various marine environments. By equipping fish with miniature acoustic transmitters whose signals can be detected by a grid of specialised underwater acoustic receivers, one gain valuable insight into an otherwise hard to study ecology. These systems are typically deployed in fjords and coastal areas of interest. There they are used to analyse the fish' movement pattern and function in the complex underwater ecosystem, as well as observing patterns related to stress and welfare in aquaculture applications. The system should be able to share the collected data in real-time to a central storage, in order to allow for live data acquisition and in-situ receiver state monitoring. The nature of the system is such that deployed equipment is often hard to reach and maintain, and thus need to be reliable and have a long operating life. This while also being easy to deploy and be low cost both in production and during its lifetime.

This project encompasses the development of the firmware for observational buoys equipped with underwater acoustic receivers and a wireless backhaul based on the LoRaWAN transmission protocol. In order to get precise monitoring data with the potential for doing multilateration-based positioning, a high timing precision must be kept. This is achieved by utilising timing information provided by GNSS. The project also continues the work of creating an efficient low-power communication network, a back-end service for storing and processing the collected data, and lastly visualising the observations in a web-based front-end service.

The main focus of this thesis has been to reduce the energy usage of the existing hardware, allowing it to operate for several months to over a year from an initial operating life of little over two months. This is achieved by improving the efficiency of the firmware and utilising the potential that lies in the hardware with some simple alterations. The buoys are also made self-optimising, with respect to timing correction and radio communications, easing the system deployment and gaining an optimal weighting between communication range and operating life. The system also adds functionality as verification of the timing accuracy of the fish detections in the back-end service, which is essential in order to have accurate and trustworthy localisation capabilities.